N型自掺杂共轭聚电解质电子传输层及其聚合物太阳能电池

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1、摘要摘要聚合物太阳能电池(PSCs)作为一种可再生能源利用方式，并且由于具有质量轻、成本低、便携可弯折等优点受到学术界广泛关注。虽然经过近几十年的探索，聚合物太阳能电池的能量转换效率已经取得巨大突破（目前报道的单结聚合物太阳能电池最高效率已经达到14.4%），但是在商业化和产业化之前，聚合物太阳能电池的性能还有待提高。进一步提升器件性能的方法除了优化器件结构，合成新型的高效给受/体材料，电极与活性层的界面调控也在改善器件性能上发挥了不容忽视的作用。在聚合物太阳能电池界面材料中，共轭聚电解质(CPEs)由于溶于环境友好型溶剂并且能有效调控界面能级而改善界面

2、接触，成为一类极具潜力的界面层材料。其中，具有自掺杂效应的n型共轭聚电解质，由于其本身具有高的导电性，致使更多的电荷传输到电极被有效收集，同时n型的共轭主干结构使其在厚度上具有较低敏感性，当材料达到一定厚度时还能发挥其作用，这些使得n型自掺杂共轭电解质在界面层材料的选择上具有很大优势。本论文首先设计并合成了一系列主干是基于DPP并含有不同氟原子(F)数量+-+-+-的n型共轭聚电解质PDPPTPT-NBr，PDPPTPf2T-NBr和PDPPTPf4T-NBr。通过在共轭主干上并入吸电子的F取代基，可以观察到明显的增加了n型自掺杂的强度。此外，随着取代基

3、上F原子数量的增多，三种n-CPEs的π离域共平面结构和膜形貌都有明显的提高。凭借n型自掺杂效应及平面结构，这三种n-CPEs获得了高的电荷传输性能。我们将三种高导电性的共轭聚电解质+-+-+-PDPPTPT-NBr，PDPPTPf2T-NBr和PDPPTPf4T-NBr作为聚合物太阳能电池的电子传输层，获得了高达11.51%的能量转换效率。值得一提的是，当电解质+-PDPPTPf4T-NBr厚度接近30nm时仍能发挥其功效，这将有助于将来太阳能电池的大面积制备。这些发现表明简单的并入“F”取代基后，不仅产生了高导电性的电解质，而且为合理设计高效率的电解

4、质界面层材料开辟了一条道路。我们还设计合成了三种主干共轭面大小不同的聚电解质（PFTBT-NBr、PFTDPP-NBr和PFTPDI-NBr）。通过将三种共轭聚电解质作为电子传输层应用于聚合物太阳能电池，获得了优异的器件性能。并且我们对三种电子传输层材料其厚度对于器件性能的影响上进行了研究，结果表明具有最小共轭面的p型I摘要电解质PFTBT-NBr相对于n型电解质PFTDPP-NBr和PFTPDI-NBr在自身厚度上最为敏感。而在后期的探索中我们发现，具有最大共轭面的n型电解质PFTPDI-NBr不仅在降低功函上表现出最优的效果，其还具有明显的自掺杂效应

5、，由此得到较高的电子迁移率和电导率，这些特性导致了其在一定的厚度范围内对器件性能的影响最小。我们通过对主干具有大小不同共轭面的电解质进行的一系列厚度对于器件性能影响的探索，清晰的表明p型的共轭电解质相对于n型的共轭电解质在厚度上具有较强的敏感性，这为前期有关不同类型的电解质作为聚合物太阳能电池的界面层其厚度对电池性能影响的报道提供了更有力的证据。关键词：聚合物太阳能电池；电子传输层；共轭聚电解质；氟原子；自掺杂；厚度敏感性IIAbstractAbstractPolymersolarcells(PSCs)asautilizationmethodofrene

6、wableenergysource,ithasattractedextensiveattentionoftheacademiccommunityduetotheirlight-weight,low-cost,portableandgoodflexibility.Afterseveraldecadesofexploration,thepowerconversionefficiency(PCE)ofPSCshasmadegreatbreakthroughs(thehighestPCEofstate-of-the-artdeviceshavereportedr

7、eachedabout14.4%),buttheperformanceofPSCsneedstobeimprovedbeforethecommercializationandindustrialization.Themethodofobtainingmorebeilliantdeviceperformance,indespiteofoptimizethedevicestructure,ordesignandsynthesizehighefficientdonor/acceptormaterials,theinterfaceengineeringbetwe

8、entheelectrodeandtheactivelayeralsoplays